專利名稱：X射線立體攝影實(shí)現(xiàn)圖像重建的ct－解析法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬計(jì)算機(jī)圖像重建、數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。
2、技術(shù)背景1、張祖勛合編.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué).武漢大學(xué)出版社，1997.12、夏良正主編.數(shù)字圖像處理.東南大學(xué)出版社，1999.83、康曉東編著.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù).天津科技翻譯出版公司，2000.14、余建明主編.數(shù)字減影血管造影技術(shù).人民軍醫(yī)出版社，1999.53、發(fā)明的目的用X射線立體攝獲得面狀數(shù)字影像，用解析計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)Radon原理計(jì)算機(jī)圖像重建，獲得斷層CT圖像，提高計(jì)算機(jī)圖像重建的精度和速度，減小X射線輻射量，X射線立體攝不需要精密的攝影軌道和排列的探測(cè)器。在CT-解析法設(shè)備中同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種影像觀察功能；二維平片觀察、全仿真立體影像觀察、斷層CT影像觀察，并輸出三種影像。

發(fā)明內(nèi)容
一、CT-解析法的影像攝影條件按人的立體視覺原理和立體影像相關(guān)匹配原理，觀察立體影像必須獲得二張對(duì)同一物體在不同位置拍攝的中心投影重疊像片。當(dāng)用左右眼分別觀看這兩張像片影像時(shí)，就會(huì)在人腦中產(chǎn)生立體視覺。人的立體視覺符合三維立體幾何交會(huì)原理，能建立起嚴(yán)密的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，在立體觀察中能采集、測(cè)繪出物體影像的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)能對(duì)采集的物體的三維空間影像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。觀察到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的全仿真立體影像。
二、X射線立體影像的獲得按現(xiàn)有常規(guī)的X光機(jī)設(shè)備分為小、中、大型X光機(jī)，C臂X光機(jī)，在這些常規(guī)的X光機(jī)設(shè)備中，X射線的發(fā)光源球管F都只設(shè)置一個(gè)。用小型X光機(jī)一次只能拍單張X光片，中、大型X光機(jī)、C臂X光機(jī)能拍出連續(xù)的X光片或數(shù)字X光影像，這些X光機(jī)設(shè)備都能按立體視覺觀察要求拍攝出重疊的立體觀察影像。如圖(1)、(2)、(3)。圖(1)是用小型X光機(jī)分步移動(dòng)拍單張X光片的方法獲得重疊的立體像對(duì)影像。圖(2)是用中、大型X光機(jī)連續(xù)移動(dòng)拍多張X光片的方法獲得多張重疊立體像對(duì)影像。圖(3)是C臂X光機(jī)用連續(xù)拍多張X光片的方法獲得環(huán)形重疊立體像對(duì)影像。
專用的計(jì)算機(jī)X射線數(shù)字立體影像觀察CT-解析法的設(shè)備設(shè)有兩個(gè)X射線的發(fā)光源球管F1，F(xiàn)2，如圖(4)，兩個(gè)X發(fā)光源球管F1，F(xiàn)2交替開閉發(fā)射X射線透射物體，能實(shí)時(shí)連續(xù)不斷的獲得X光重疊立體像對(duì)影像。
在檢查物體、貨物的X光檢查過程中，輸送帶勻速使物體運(yùn)動(dòng)，如圖(5)X射線球管按一定的時(shí)間間隔頻率開閉發(fā)射X射線，數(shù)字化影像轉(zhuǎn)換屏不斷得到物體的X射線立體像對(duì)影像。
為了減少伴影，得到清晰的X射線影像，應(yīng)采用微焦點(diǎn)X射線球管。在X射線立體攝影時(shí)，在設(shè)備上設(shè)定已知位置參數(shù)點(diǎn)，作為坐標(biāo)量測(cè)的起算定位像點(diǎn)，確定影像的比例尺和坐標(biāo)起算位置。
三、X射線影像的顯示和全仿真立體觀察X射線影像的顯示和立體觀察是為了使我們能從計(jì)算機(jī)顯示屏上直接觀察到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)立體影像，如圖(20)是一個(gè)典型的CT-解析法設(shè)備；(圖20中；1、X射線球管 2、物體 3、影像增強(qiáng)器 4、CCD 5、A/D 6、計(jì)算機(jī)7、偏振光立體眼鏡)在CT-解析法設(shè)備中，兩個(gè)X射線球管F1，F(xiàn)2交替透射物體，影像增強(qiáng)器不斷得到左右兩張立體像片的光學(xué)模擬影像，并將物體X光影像亮度增強(qiáng)幾千倍。CCD像機(jī)從影像增強(qiáng)器拍攝到增強(qiáng)的影像后，將光學(xué)影像數(shù)字化后傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字影像紋理處理，對(duì)影像灰度進(jìn)行分類，檢測(cè)銳化邊緣輪廓影像，突出興趣影像，提高影像灰度進(jìn)行顯示。計(jì)算機(jī)虛擬立體觀察專業(yè)圖像顯示卡和圖像操作軟件以偏振光形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上交替顯示X射線立體像對(duì)影像，供立體影像觀察和量測(cè)空間坐標(biāo)。觀測(cè)X射線立體影像有兩種方法；a、偏振光觀察法，觀察時(shí)須佩戴偏振光立體眼鏡，偏振光立體眼鏡的偏振頻率由顯示卡控制的紅外發(fā)射器同步控制，使觀察者在觀察顯示屏?xí)r只能左眼看左X射線影像，右眼看右X射線影像，在觀察者大腦中形成立體視覺，可獲得很高的觀察精度。
b、邊光顯示器和3D立體顯示器，觀察立體時(shí)不需佩戴立體眼鏡，但觀察立體影像精度不如偏振光觀察法高，價(jià)格也貴。
在顯示器上觀察立體的特點(diǎn)是視場(chǎng)大，對(duì)觀察大于1∶1的X射線立體影像很有利。
CT-解析法也可以按常規(guī)X光平片的形式在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示X射線二維影像，供常規(guī)平面X光影像觀察。
四、透射光立體攝影數(shù)學(xué)模型用透射光按立體攝影條件攝影，能建立透射光攝影立體影像嚴(yán)密空間幾何交會(huì)數(shù)學(xué)模型。使立體攝影測(cè)量的方法和技術(shù)手段，可用于透射光攝影立體影像觀察和影像處理。
a、X射線透射成像原理X射線的光源X射線球管近似中心投影的點(diǎn)光源，當(dāng)X射線透射物體后，物體因內(nèi)部的密度不同，在X射線成像面P上產(chǎn)生不同深淺的影像灰度，顯示物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形狀影像。成像原理如圖(7)，圖中F為X射線球管光源，P是X射線成影面，H是光源F到成影面P的距離，o是F中心光線垂直投影到成影面P的交點(diǎn)，稱o為主點(diǎn)。在P面上的成像是空間物體A內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的X射線中心投影的二維平面影像。
當(dāng)在成影面P上加一個(gè)透鏡S，如用CCD像機(jī)對(duì)X片P攝影，如圖(8)，能得到需要大小尺寸的X射線影像像片P′。o′S為像距f，SP為物距H。
b、X射線立體攝影像對(duì)原理為了觀察到X射線立體影像，須得到能建立物體立體影像的兩張“像對(duì)”像片或直接數(shù)字化記錄下像對(duì)影像信息，用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)可視化立體技術(shù)觀察X射線立體影像。
如圖(9)，設(shè)有兩個(gè)X射線球管F1，F(xiàn)2光源，并相隔一段距離M。F1，F(xiàn)2垂直投射在兩像片P1，P2上的交點(diǎn)o1，o2稱為左主點(diǎn)和右主點(diǎn)，是P1，P2像片上的坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)X射線透射物體后，物體A，B在P1，P2上分別的成像為a1，b1和a2，b2，物體A，B在P1，P2上的投影點(diǎn)a1與a2，b1與b2的距離之差為投影差，相似于人的生理視差Δx1＝a1-a2；Δx2＝b1-b2；既；Δp＝Δx1-Δx2；當(dāng)獲得立體像對(duì)P1，P2像片后，根據(jù)立體觀察原理，兩眼同時(shí)分別觀看P1，P2兩像片上的像點(diǎn)a1，b1和a2，b2將看到物體A，B的立體視覺影像。
用透鏡的方法如圖(8)，同樣可建立圖(9)的關(guān)系，物體A，B在P1′，P2′上的成像為a1′，b1′和a2′，b2′，從圖中看出在P1′，P2′像片上并未改變X射線透射成像光線的幾何條件，當(dāng)立體觀察P1′，P2′像片時(shí)，同樣能看到物體A，B的立體視覺影像，但立體視覺影像被縮小c、X射線立體攝影數(shù)學(xué)模型分別在兩張X射線成影像片P1，P2建立像片平面坐標(biāo)系，如圖(10)，o1-x1y1和o2-x2y2，坐標(biāo)原點(diǎn)為o1，o2，而o1，o2是X射線球管光源F1，F(xiàn)2垂直輻射在P1，P2像片面上的交點(diǎn)。
當(dāng)?shù)玫絏射線立體觀察像對(duì)P1，P2像片后，建立物體與X射線成影像點(diǎn)之間的空間幾何交會(huì)數(shù)學(xué)關(guān)系。如圖(11)，H為X射線光源F1，F(xiàn)2至成影像片P1，P2的設(shè)定常數(shù)距離，為攝影高度。M為兩X光源F1、F2之間設(shè)定的常數(shù)距離，為攝影基線。設(shè)物體的空間坐標(biāo)系X，Y軸與成影像片P1的像片坐標(biāo)x1，y1軸平行，Z軸垂直于像片P1坐標(biāo)原點(diǎn)o1，物體的空間坐標(biāo)系原點(diǎn)O與像片P1平面坐標(biāo)系原點(diǎn)o1的垂直距離為ΔH。
當(dāng)兩X射線光源F1，F(xiàn)2透射物體A后，空間物體A在P1，P2像對(duì)像片上的同名影像點(diǎn)分別為a1，a2，其a1在P1片上的坐標(biāo)為x1，y1，a2在P2片上的坐標(biāo)為x2，y2?？稍O(shè)定y1＝y(tǒng)2。
依據(jù)立體觀察原理，X坐標(biāo)軸平行攝影基線M和像片坐標(biāo)x1，x2軸。求在兩像片P1，P2上的同名像點(diǎn)a1，a2的x坐標(biāo)之差為Δx＝x1-x2，Δx稱為像點(diǎn)左右視差，是立體視覺的來源。
在圖(11)中，從O作輔助線至A″M得出，當(dāng)已設(shè)定X射線光源F1，F(xiàn)2的固定位置和基線距離M，及F1，F(xiàn)2到成影面P1，P2的攝影高度為H時(shí)∵ ΔF1o1a1′∽ΔF1OA′；ΔF1a1a1′∽ΔF1AA′X/x1＝Z/H；Y/y1＝Z/H；∴ X＝(Z/H)x1；Y＝(Z/H)y1；(1)式又∵ ΔF2a2′o2∽ΔF2A′A″；A′A″/x2＝Z/H；則A′A″＝(Z/H)x2；∵ A′A″＝M-X；故M-X＝(Z/H)x2；(因x2本身帶正負(fù)號(hào)，圖(5)中x2為負(fù))M＝X-(Z/H)x2；(2)式將(1)式中X代入(2)式；M＝Z(x1-x2)/H；得Z＝(MH)/(x1)-x2)；設(shè)Δx＝x1-x2；(3)式∴ Z＝(MH)/Δx；(4)式從(4)式得出物體的空間高度坐標(biāo)Z與立體像對(duì)中視差Δx有關(guān)，證明在X射線攝影時(shí)，像點(diǎn)的視差Δx是立體視覺的來源。
聯(lián)立(1)式和(4)式得 (5)式同時(shí)；0＜Δx≥M，ΔH＝H-Z，這是透射光攝影立體成像的特性。
連立方程(5)式是物體與X射線像對(duì)影像點(diǎn)之間空間坐標(biāo)關(guān)系幾何交會(huì)計(jì)算的聯(lián)立方程式。
連立方程(5)式稱為透射光立體攝影坐標(biāo)連立方程。
當(dāng)在X射線立體攝影立體影像觀察中，量測(cè)并計(jì)錄到物體X射線像片P1，P2上的同名像點(diǎn)坐標(biāo)x1，y1，x2后，用(5)式可計(jì)算得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的三維空間坐標(biāo)。
當(dāng)量測(cè)到物體不同位置，不同高度點(diǎn)的像點(diǎn)平面坐標(biāo)x1，y1，x2后，可得到；空間物體絕對(duì)高度變化為ΔH；ΔHi＝H-Zi(6)式空間物體點(diǎn)與點(diǎn)相對(duì)高差為ΔZ；ΔZi＝Z0-Zi(7)式空間物體點(diǎn)與點(diǎn)之間的相對(duì)視差為Δp；Δpi＝Δx0-Δxi(8)式在(6)、(7)、(8)式中；H為X射線光源F至X光成影片P的距離。
Zi為X射線光源F至物體點(diǎn)的距離。
Z0為物體高度計(jì)算起始面。
Δx0為物體高度計(jì)算起始面的視差。
Δxi為不同高度的物體面視差。
Δpi為高度計(jì)算起始面的視差與不同高度面的視差之差。
五、數(shù)字立體影像計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)匹配X射線立體攝影獲得數(shù)字影像用計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)匹配得到影像點(diǎn)的像片坐標(biāo)，建立物體內(nèi)部立體影像數(shù)字模型(digital inside-form model，DIM)DIM。
CT-解析法的重要技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)代替人眼的立體影像識(shí)別與量測(cè)，完成影像和信息的自動(dòng)提取及處理。由計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)字影像相關(guān)匹配，找到在兩張立體影像上相同的影像點(diǎn)，稱同名點(diǎn)，并得到兩像點(diǎn)的灰度和像片坐標(biāo)，完成像點(diǎn)的空間幾何交會(huì)計(jì)算，得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的三維空間坐標(biāo)和相應(yīng)的影像灰度值，建立X射線物體內(nèi)部影像數(shù)字立體模型DIM。
X射線立體像對(duì)影像是光學(xué)的模擬影像，影像中已記錄了物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的堆積影像灰度，經(jīng)數(shù)字化后已得到影像的灰度向量陣列。
計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)被稱為影像匹配或數(shù)字相關(guān)。影像相關(guān)匹配用于建立X射線攝影物體內(nèi)部影像數(shù)字立體模型DIM是關(guān)鍵工作，數(shù)字影像相關(guān)匹配的基本目的是確定兩張立體像片上的同名像點(diǎn)在各自像片上的像片坐標(biāo)和灰度值，并求的同名像點(diǎn)之間在x方向的坐標(biāo)之差Δx＝x1-x2，稱Δx為左右視差。影像匹配的原理是用數(shù)值計(jì)算的方法比較探求立體像對(duì)左右像片上的影像相似程度，完成找到在左右像片上的同名影像點(diǎn)(相同影像點(diǎn))，簡(jiǎn)稱同名點(diǎn)，并確定同名點(diǎn)在左右像片上的灰度值g和在像片坐標(biāo)中的位置x，y。影像匹配是根據(jù)一定的準(zhǔn)則，比較立體像對(duì)左右二張像片上影像相似性來確定是否為同名影像塊，從而確定相應(yīng)的同名像點(diǎn)，這過程是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方式完成影像的匹配，同名點(diǎn)用向量表示為；P左＝(x1，y1，g左)T；P右＝(x2，y2，g右)T數(shù)字影像匹配的方法有多種。在X射線攝影數(shù)字影像匹配中，因所取的數(shù)字影像像素大，采用一維特征匹配。一維匹配的原理是；在左像片影像中先確定一個(gè)待定點(diǎn)，稱為目標(biāo)點(diǎn)，以待定點(diǎn)為中心選取m×n(也可以m＝n)個(gè)像素的灰度陣列為目標(biāo)區(qū)域，稱為目標(biāo)窗口，為了在右像片上搜索同名影像點(diǎn)，在右像片上建立一個(gè)m×L(L＞n)像素的灰度陣列作為搜索區(qū)。如圖(6)；一維影像匹配是；搜索工作只在沿像片坐標(biāo)x方向進(jìn)行，這個(gè)方向也正是產(chǎn)生同名像點(diǎn)之間的相對(duì)位移的方向，既左右視差Δx產(chǎn)生的方向。以計(jì)算相似性測(cè)度ρi(i＝i0-L/2+n/2......i0+L/2-n/2)，(io)為搜索區(qū)中心像素，取c為搜索間隔設(shè)定常數(shù)。當(dāng)；ρc＝max{ρi|i＝i0-L/2+n/2......i0+L/2-n/2}時(shí)，(c，i0)為同名像點(diǎn)。
在影像匹配的過程中，確定了立體像片同名點(diǎn)的影像灰度值g，同時(shí)也確定了左右二張像片上同名點(diǎn)的像片坐標(biāo)x1，y1，x2值，設(shè)定y1＝y(tǒng)2，求Δx＝x1-x2，得到影像同名點(diǎn)視差值Δx，利用透射光立體攝影坐標(biāo)連立方程(5)式計(jì)算物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的空間坐標(biāo)； 用該方程計(jì)算得到像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)于物體的空間位置Xi，Yi，Zi，后，可取同名點(diǎn)的平均灰度值g平i為該點(diǎn)的參考灰度，得到像點(diǎn)對(duì)于物體的目標(biāo)向量；pi＝(Xi，Yi，Zi，g平i)T或表示為；pi＝(K1x1i，K1y1i，K2Δx，g平i)TK1，K2是X射線攝影光源位置常數(shù)，(K1＝Z／H，K2=MH。
得到物體點(diǎn)的目標(biāo)向量pi，也就完成了數(shù)字影像的特征相關(guān)匹配工作。
X射線物體內(nèi)部數(shù)字立體影像模型DIM，是目標(biāo)向量p的集合為A；A＝{p}＝{X，Y，Z，g左}＝{K1x1，K1y1，K2Δx，g平}數(shù)字影像匹配建立X射線數(shù)字立體影像模型DIM的過程如圖(12)；X射線物體內(nèi)部數(shù)字立體影像模型DIM，是物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的目標(biāo)向量的集合，是一個(gè)有準(zhǔn)確距離、面積、體積、影像紋理的模型。用計(jì)算機(jī)技術(shù)可很容易的在DIM中實(shí)現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)3D圖像的顯示，實(shí)現(xiàn)三維物體3D圖像的任意縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲、分割、混合、融色等六、X射線立體攝影實(shí)現(xiàn)Radon圖像重建X射線立體攝影影像是物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)不同密度重疊在二維像片上的影像，數(shù)字立體影像模型DIM中是像點(diǎn)的重疊影像平均灰度，是靠影像的相似性相關(guān)匹配得到像點(diǎn)的像片灰度和坐標(biāo)，既以密度變化的邊界灰度確認(rèn)相似性，但像點(diǎn)上的重疊灰度問題并未解決，對(duì)于DIM的灰度只是一個(gè)邊界灰度參考值，需對(duì)DIM中的灰度進(jìn)行修正，得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的實(shí)際空間灰度分布值。
圖(13)是交線狀態(tài)X射線立體攝影中的主斷面；主斷面是由F1F2o1o2構(gòu)成的面。在這個(gè)主斷面上，像點(diǎn)的像片坐標(biāo)y＝0。
在圖(15)中可看出，這是一個(gè)Radon圖像重建問題，這個(gè)圖形與斷層攝影(掃描)CT圖像重建的情況相似。在多幅X射線立體攝影時(shí)已獲得物體內(nèi)部密度的重疊灰度g，按Radon圖像重建原理；“用無限多個(gè)投影可確定二維或三維物體”的方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線立體攝影圖像重建，實(shí)現(xiàn)Radon圖像重建的條件是；物體A在空間的位置、X射線束光源F的位置、影像點(diǎn)灰度g的位置，應(yīng)在同一個(gè)坐標(biāo)系 中，如圖(14)；圖(14)是典形的Radon圖像重建原理圖，八面體A和Fg構(gòu)成的射線同在一個(gè)坐標(biāo)系 中，在八面體A中各個(gè)三角形的密度能由不同路經(jīng)上的矢量射線Fg和重疊灰度值g組成的連立方程求解得到。
X射線立體攝影是在增強(qiáng)器上獲得的是一個(gè)面的數(shù)字影像灰度，影像灰度點(diǎn)的坐標(biāo)是像片坐標(biāo)，物體A是空間坐標(biāo)，物體A與影像灰度點(diǎn)g不在同一個(gè)坐標(biāo)系中，如圖(13)，物體A與影像灰度點(diǎn)g沒有任何關(guān)系，不滿足Radon原理圖像重建的條件。顯然要找到X射線立體攝影與Radon原理圖像重建之間的關(guān)系，建立X射線立體攝影像片坐標(biāo)系與Radon原理理圖像重坐標(biāo)系之間的變換的方法。X射線立體攝影實(shí)現(xiàn)Radon原理圖像重建之間的坐標(biāo)變換稱為；Shujia-Radon關(guān)系變換，或稱SR- 坐標(biāo)系變換。
在前面我們已在X射線立體攝影像片上建立了像片坐標(biāo)系o-x，y，得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)影像重疊灰度g的像片坐標(biāo)g(x，y)，只要能將g(x，y)換算到SR- 坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)g 中，就可實(shí)現(xiàn)Radon圖像重建原理。要將像片二維坐標(biāo)的像點(diǎn)灰度g(x，y)轉(zhuǎn)換到三維空間SR- 坐標(biāo)g 中，用透射光立體攝影坐標(biāo)連立方程(5)式，能推導(dǎo)出X射線立體攝影實(shí)現(xiàn)Radon原理圖像重建的Shujia-Radon關(guān)系變換方程； (9)式式中；Δx＝x1-x2(9)式是X射線立體攝影實(shí)現(xiàn)Radon圖像重建原理的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方程，λ是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)，顯然求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)λ是實(shí)現(xiàn)Radon圖像重建原理的第一步。首先要找到能建立起平面像片坐標(biāo)系o-x，y與空間SR- 坐標(biāo)系的關(guān)系條件。從圖(15)看出；平面像片坐標(biāo)系o-x，y與空間Radon-X，Y，Z坐標(biāo)系建立的法則不同。將原Radon坐標(biāo)系X，Y，Z改為SR- 坐標(biāo)系，使像片坐標(biāo)系o-x，y和SR- 坐標(biāo)系同法則。
建立物體A與像點(diǎn)灰度g之間的關(guān)系；在物體A上設(shè)三個(gè)以上在SR- 坐標(biāo)系中已知的點(diǎn)B、C、D、...N，當(dāng)X射線透射物體后，如透射已知點(diǎn)B C 點(diǎn)后，在X射線立體攝影像片P1上有已知點(diǎn)的影像b1和c1，在P2上有已知點(diǎn)的影像b2和c2如圖(15)、(16)；圖(15)是在平面軌道上X射線立體攝影，像片P1、P2平行。圖(16)是在圓形軌道上X射線交線立體攝影，像片P1、P2不平行。
已知X射線光源F1、F2到像片P1、P2的距離同為H，已知F1到F2的距離為基線M，已知點(diǎn)B在像片P1上的影像點(diǎn)b1的像片坐標(biāo)為xb1、yb1，在像片P2上的影像點(diǎn)b2的像片坐標(biāo)為xb2、yb2，可求得Δxb＝xb1-xb2。用透射光立體攝影坐標(biāo)連立方程求得已知點(diǎn)B的立體攝影坐標(biāo)點(diǎn)B(Xb、Yb、Zb)； (5)式因在圖(15)、(16)是X射線立體攝影主斷面，yb1＝y(tǒng)b2＝0，連立方程(5)式變?yōu)椋?(5)-1式在(5)-1式中，用已知點(diǎn)B在X射線立體攝影像片P1、P2上的影像b1、b2的像片坐標(biāo)xb1、xb2，求得已知點(diǎn)B的立體攝影坐標(biāo)點(diǎn)B(Xb、Zb)，已建立起Radon原理SR- 坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)系o-x，y之間的相對(duì)關(guān)系。立體攝影坐標(biāo)Xb、Zb是像片坐標(biāo)系o-x，y轉(zhuǎn)換到Radon原理SR- 坐標(biāo)系的過度坐標(biāo)。
求坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)λ；已知點(diǎn)B的坐標(biāo) 與已知點(diǎn)B的立體攝影坐標(biāo)Xb、Zb之比，即為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)λ； (10)式得到X射線立體攝影進(jìn)行Radon原理圖像重建，像片坐標(biāo)yb1＝y(tǒng)b2＝0時(shí)，Shujia-Radon關(guān)系變換方程； (9)-1式(9)式和(9)-1式建立起平面像片o-x，y坐標(biāo)系與空間SR- 坐標(biāo)系的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，將物體B、X射線光源F、灰度g統(tǒng)一到了同一個(gè)SR- 坐標(biāo)系中。(9)-1式相似斷層攝影CT在掃描時(shí)的狀態(tài)。
從(9)-1式看出，當(dāng)X射線光源F1、F2到像片P1、P2的距離同為H，將H鋼性固定時(shí)，對(duì)F1到F2的基線距離M要求并不高，若Shujia-Radon關(guān)系變換精度達(dá)不到要求時(shí)，可反求M。這樣的設(shè)定可自由的進(jìn)行X射線立體攝影，降低X射線立體攝影時(shí)的精度要求。
b1和b2的像片坐標(biāo)xb1，xb2由計(jì)算機(jī)視覺立體影像相關(guān)匹配求得，并計(jì)算出坐標(biāo)差Δxb。進(jìn)行Shujia-Radon關(guān)系變換，完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。
X射線立體攝影是得到-個(gè)面的影像，并非如圖(15)、(16)時(shí)的一個(gè)主斷面影像，只有在像片坐標(biāo)(x，y＝0)的像點(diǎn)，才與圖(15)、(16)相符。g(x，y□0)的像點(diǎn)不但在x方向有射線夾角αx，在y方向也有射線夾角αy，它的計(jì)算方法比圖(15)、(16)時(shí)的Shujia-Radon關(guān)系變換、Radon原理圖像重建計(jì)算復(fù)雜的多。如圖(17)；從以上的推導(dǎo)和圖(15)、(16)看出，只要將立體攝影像片坐標(biāo)系o-x，y的像點(diǎn)g(x，y)換算到SR- 坐標(biāo)系位置g 中，就能確定F到g的光束路經(jīng)，采集光束路經(jīng)上的影像灰度值g，實(shí)現(xiàn)X射線立體攝影Radon原理進(jìn)行圖像重建。
X射線立體攝影是得到一個(gè)面的數(shù)字影像，X射線是扇形投影，用扇形投影方法，將面的數(shù)字影像按像素分成連續(xù)排列的格網(wǎng)灰度單元，從X射線光源F到格網(wǎng)灰度單元g構(gòu)成光束路經(jīng)，如圖(18)；圖(18)每個(gè)格網(wǎng)灰度單元對(duì)應(yīng)一光束路經(jīng)，多幅X射線立體攝影數(shù)字影像可組成從多方向路經(jīng)灰度g，用等間隔扇形投影直線排列數(shù)據(jù)圖像重建，能獲得高精度的圖像重建。
X射線立體攝影Shujia-Radon關(guān)系變換，實(shí)現(xiàn)Radon原理進(jìn)行圖像重建計(jì)算，目前已提出圖像重建計(jì)算方法有五種；1、連立方程法；2、逆投影法；3、付立葉變換法；4、卷積法；5、最小二乘法；以上X射線立體攝影圖像重建的步驟為；1、自由的X射線立體攝影獲得有已知點(diǎn)的立體數(shù)字影像。
2、用計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)匹配的方法獲得平面像片坐標(biāo)系中已知點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)g(x，y)。
3、用Shujia-Radon關(guān)系變換求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)λ，將平面像片坐標(biāo)系中的g(x，y)換算到空間SR- 坐標(biāo)系位置g 中，達(dá)到Radon圖像重建原理。
4、求每個(gè)格網(wǎng)灰度單元對(duì)應(yīng)一光束路經(jīng)，多幅X射線立體攝影數(shù)字影像可組成從多方向路經(jīng)灰度g。
5、用等間隔扇形投影直線排列數(shù)據(jù)圖像重建方法計(jì)算。
6、用Radon原理圖像重建計(jì)算的灰度值對(duì)DIM灰度進(jìn)行修正，得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的實(shí)際灰度值。
X射線立體攝影不需要精密的斷層掃描機(jī)械設(shè)備，像點(diǎn)的灰度g(x，y)的間隔按像素分成連續(xù)排列的格網(wǎng)灰度單元任意設(shè)定，不需要用單個(gè)精密排列的探測(cè)器。不是等間隔的單個(gè)探測(cè)器和等間隔的線束掃描，是用一幅數(shù)字影像，在數(shù)字影像上自動(dòng)按要求的像素大小無間隔的采集影像灰度，灰度g(x，y)的位置由計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)匹配求得和像素格網(wǎng)灰度單元無間隔的任意設(shè)定，無影像間隔誤差，提高了圖像重建的精度，能做到全仿真圖像重建?？煽焖佾@得X射線立體攝影在一個(gè)面的完整影像灰度，可快速的獲得X射線圖像重建影像。
數(shù)字影像匹配的計(jì)算方法很多，可根據(jù)匹配的要求和精度選擇不同的計(jì)算方法。如德國(guó)Ackermann教授提出的最小二乘影像匹配(Least squares imagematching)，影像匹配可以達(dá)到1/10甚至1/100像素的高精度，還能進(jìn)行多點(diǎn)影像匹配和多片影像匹配，他不但解決影像重疊產(chǎn)生的遮蔽問題，而且對(duì)于解決圖像重建時(shí)自動(dòng)求得已知點(diǎn)坐標(biāo)和多幅影像連接計(jì)算提供了方法。獲得影像灰度的位置坐標(biāo)，是計(jì)算機(jī)視覺自動(dòng)相關(guān)匹配解算同名影像多投影光線同時(shí)交會(huì)的聯(lián)立方程得到，而不是在斷層掃描時(shí)，由運(yùn)動(dòng)機(jī)械確定影像灰度所在的探測(cè)器的位置坐標(biāo)。
由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者豪斯菲爾德發(fā)明的層析攝影CT圖象重建，是完全用X射線束和電子探測(cè)器模擬Radon圖像重建原理。在模擬Radon圖像重建原理進(jìn)行X射線束攝影時(shí)，必須保證物體A、X射線束光源F和探測(cè)器影像灰度g同在一個(gè)坐標(biāo)系中，X射線束光源F和影像灰度g必須是一個(gè)個(gè)不連續(xù)的已知坐標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)X射線束攝影透過物體A后，由F點(diǎn)和g點(diǎn)的連線構(gòu)成有影像灰度的路經(jīng)矢量Fg，由多方向穿過物體A的矢量Fg組成連立方程組求解，求得二維或三維物體中空間分布的不同灰度值，實(shí)現(xiàn)Radon原理圖像重建。
在斷層攝影CT設(shè)備中，是用旋轉(zhuǎn)掃描方式進(jìn)行斷層X射線束攝影，獲得X射線束穿透物體后的灰度。在圓形機(jī)架的軌道中，X射線束光源F和排列的單個(gè)有間隔的電子探測(cè)器位置是精密設(shè)定的，由電子探測(cè)器獲得準(zhǔn)直X射線束影像的灰度值g 由F 到g 構(gòu)成路經(jīng)射線矢量Fg，達(dá)到Radon原理圖像重建的計(jì)算條件，這是用模擬Radon原理制造的儀器設(shè)備，確定X射線束光源F和電子探測(cè)器g的位置需要用精密的運(yùn)動(dòng)機(jī)械，精密的電子探測(cè)器和精密機(jī)械設(shè)備龐大，掃描速度與機(jī)械的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。至今，雖然斷層攝影CT圖象重建設(shè)備已發(fā)展了n代，但始終沒有改變模擬的設(shè)計(jì)思想，完全用機(jī)械斷層X射線束掃描和電子探測(cè)器模擬Radon圖像重建原理，將這種模仿Radon原理實(shí)現(xiàn)圖像重建的方法稱為；CT-模擬法。
CT-解析法是用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，用解析計(jì)算的方法確定物體A、X射線光源F和灰度值g的位置。用自由攝影的X射線立體攝影數(shù)字影像，用解析計(jì)算Shujia-Radon關(guān)系變換的方法達(dá)到Radon原理圖像重建條件，用計(jì)算機(jī)視覺影像匹配替代電子探測(cè)器確定影像灰度點(diǎn)的位置。立體影像匹配能在立體攝影的兩張或多張二維平面影像中同時(shí)得到影像點(diǎn)的位置坐標(biāo)和灰度值，它沒有精密的攝影機(jī)械掃描設(shè)備和精密電子探測(cè)器，不是用X射線束獲得一個(gè)點(diǎn)的影像灰度，而是用X射線光源輻射物體后，在X射線影像增強(qiáng)器上自由獲得一個(gè)面的影像灰度，X射線輻射量大大降低，影像灰度獲得的速度快，影像灰度分辨精度和影像點(diǎn)的位置精度高。將這種用解析計(jì)算實(shí)現(xiàn)Radon原理圖像重建的方法稱為；CT-解析法。
CT-解析法的過程是；自由X射線立體攝影-立體影像相關(guān)匹配-Shujia-Radon關(guān)系變換-Radon原理圖像重建。
七、實(shí)現(xiàn)3D圖像顯示、提取任意斷層CT影像在數(shù)字影像立體模型DIM中，物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)分布的空間坐標(biāo)X，Y，Z已獲得，與之對(duì)應(yīng)的影像灰度值g已獲得修正，攝影時(shí)的高度H和基線M是已設(shè)定的常數(shù)。顯然要得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度形態(tài)的3D立體圖像和斷層CT影像是很容易的。
從X射線數(shù)字影像立體模型DIM提取出的斷層CT影像是一個(gè)二維斷面影像。計(jì)算機(jī)對(duì)平面影像的處理有很多成熟的計(jì)算處理方法，能進(jìn)行斷層CT影像增強(qiáng)、銳化、多幅CT影像拼接、特征影像提取、色彩融合等。
權(quán)利要求
本發(fā)明屬計(jì)算機(jī)圖像重建和數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。自由X射線立體攝影獲得多幅數(shù)字影像，用X射線立體攝影空間交會(huì)求得像點(diǎn)空間坐標(biāo)，用計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)匹配和Shujia-Radon關(guān)系轉(zhuǎn)換，使X射線光源坐標(biāo)、被攝影物體坐標(biāo)和數(shù)字影像的像片坐標(biāo)被規(guī)劃到統(tǒng)一的SR坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)Radon原理進(jìn)行圖像重建，獲得任意方向的斷層CT圖像。CT-解析法能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種影像觀察功能；二維平片觀察、全仿真立體影像觀察、斷層CT影像觀察。CT-解析法不需要精密的X射線攝影軌道和排列的電子探測(cè)器。要求保護(hù)權(quán)利的特征如下；1、用透射光(如X射線)對(duì)物體進(jìn)行立體攝影，獲得物體內(nèi)部密度的影像用于立體影像觀察和圖像重建，得到物體空間密度的分布狀態(tài)。
2.攝影時(shí)X射線光源和影像增強(qiáng)器在直線軌道或圓形軌道上移動(dòng)，連續(xù)的進(jìn)行X射線立體攝影獲得多幅數(shù)字平面影像。
3.在物體方設(shè)置多個(gè)固定已知點(diǎn)，X射線攝影后在影像中有多個(gè)固定已知點(diǎn)的數(shù)字影像。用透射光立體攝影坐標(biāo)連立方程計(jì)算影像點(diǎn)坐標(biāo)。
4.在平面數(shù)字影像上建立像片坐標(biāo)系，用計(jì)算機(jī)影像相關(guān)匹配找到已知點(diǎn)的數(shù)字影像灰度和坐標(biāo)。將數(shù)字影像在像片坐標(biāo)系分成連續(xù)排列的像素格網(wǎng)灰度單元。
5.用立體攝影坐標(biāo)連立方程求出已知點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)。將像素格網(wǎng)灰度單元的像片坐標(biāo)和X射線光源坐標(biāo)用關(guān)系轉(zhuǎn)換規(guī)劃到設(shè)定的已知點(diǎn)所在的圖像重建坐標(biāo)系中。
6.由X射線光源與像素格網(wǎng)灰度單元構(gòu)成方向射線路經(jīng)矢量，多方向射線路經(jīng)矢量組成連立方程求解，得到物體空間密度的分布。
7.實(shí)現(xiàn)三種影像觀察功能；二維平片觀察、全仿真立體影像觀察、斷層CT圖像觀察。
8.在具有中心投影性質(zhì)的光、聲、波發(fā)射源構(gòu)成影像，進(jìn)行圖像重建得到物體空間密度的分布中使用1、2、3、4、5、6、7。
全文摘要
本發(fā)明屬計(jì)算機(jī)圖像重建和數(shù)字影像處理技術(shù)領(lǐng)域。X射線立體攝影獲得多幅數(shù)字影像，用計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)匹配和ShuJia－Radon關(guān)系轉(zhuǎn)換，使X射線光源坐標(biāo)、被攝影物體坐標(biāo)和影像的像片坐標(biāo)被統(tǒng)一到SR坐標(biāo)系中，光源與像素格網(wǎng)灰度單元構(gòu)成方向射線矢量方程，實(shí)現(xiàn)Radon原理圖像重建。能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種影像觀察功能；二維平片觀察、全仿真立體影像觀察、斷層CT影像觀察。簡(jiǎn)化了精密掃描軌道和電子探測(cè)器等。
文檔編號(hào)G01N23/02GK1464301SQ02133358
公開日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月25日
發(fā)明者舒嘉 申請(qǐng)人:舒嘉